Светодиодные лампы, как и любые другие, призваны освещать наше место обитания. Стоит отметить, что производственные помещения могут требовать специфических условий, да и вряд ли ответственные лица станут читать подобные обзоры, а потому методика исследования работы осветительных устройств будет ориентирована на условия использования ламп именно в жилом секторе.
Какие свойства и особенности предполагает применение компактных ламп в домашних условиях? Попробуем сформулировать основные пожелания:
Последний пункт выходит за рамки методики тестирования, но сам факт его очевидной важности нельзя не отметить. Теперь об этих и других требованиях подробнее.
Высокая яркость
Лампа должна освещать помещение, это основная функция и цель ее использования. Для получения этой характеристики будет измеряться величина светового потока, показывающая световую энергию, излучаемую лампой во всех направлениях. Освещение используется для человека, поэтому обязательно учитывается мера заметности глазом, что обязывает в большей степени зачитывать «зеленые» составляющие спектра, ниже «красные» и еще меньше «синие». Это означает, что при проведении работ требуется соблюсти два обязательных условия:
Первое требование можно осуществить различными способами, но метод интегрирующего фотометрического шара стабильнее в получаемых результатах и проще в использовании. Второе условие обязывает применение специальных светофильтров, что не является серьезной проблемой.
Равномерное освещение комнаты
Повторюсь, лампа должна освещать помещение, и делать это максимально качественно. Никому не нужно «яркое пятно» прямо под светильником и «чернота ночи» на стенах и потолке, а потому при получении информации о продукте важно знать меру равномерности излучения – угол испускания света. Причем, существуют две характеристики: «угол пучка» (Beam angle) и «угол рассеивания прожектора».
Отличаются они порогом, первый измеряется по уровню 50%, второй – 10% от максимума. Для получения численных данных следует построить диаграмму направленности излучения, и по критериям 50% и 10% вычислить два угла свечения. К сожалению, получаемая информация позволит лишь оценить меру направленности излучения лампы. Альтернативный вариант с прямым измерением освещенности различных участков эквивалента комнаты прорабатывается и может заменить измерение «углов» впоследствии.
Низкий нагрев
Небольшая температура лампы, сниженное потребление электричества (при высокой светоотдаче) – все эти характеристики представляют повышенный интерес, а потому должны быть измерены. В данном контексте интересует температура поверхности лампы (ее боковой поверхности, радиатора), мощность потребления из сети 220 В и величина светового потока.
Причем полезно знать не только данные на момент включения и после продолжительного времени работы, но и изменение их в процессе использования. Повышенная нестабильность или нехарактерное изменение во времени говорит о внутренних проблемах в лампе (блоке светодиодов или электронике). Всю эту информацию можно получить во время долговременного статического прогона в фотометрическом шаре.
Привычная форма и геометрические размеры
На каждую лампу будет приводиться достаточное количество фотографий для оценки ее формы, размеров и упаковки. Последняя представляет интерес с той точки зрения, что это позволяет проще отождествить выбранную модель на полках магазинов. Кроме того, не так уж редки случаи появления ламп с одной и той же маркировкой, но с разной упаковкой и/или конструктивно-техническими отличиями.
Кроме иллюстративного представления, в таблице описания лампы будут приводиться ее геометрические размеры, конструктивные особенности и вес.
Стабильность характеристик, отсутствие каких либо дефектов
Лампа обязана создавать неизменный световой поток, при этом не должно происходить изменений цвета или интенсивности свечения. Для получения количественного описания этих свойств будет измеряться цветовая температура и уровень пульсаций как мера стабильности светового потока.
При обнаружении сколь-нибудь заметного изменения цвета свечения для различных режимов работы лампы, исследование дополнится графиками зависимости Тц (цветовой температуры) от условий эксплуатации.
Срок службы
Самый сложный раздел. Прямое измерение деградации свойств светодиодных ламп крайне затруднено огромным сроком их службы. Стендовые испытания в 6000 часов выглядят довольно жутко (две трети года), но никто не сможет пойти на такой срок тестирования – помимо того, что пострадает оперативность испытаний, исчезнет смысл в самих исследованиях, ведь индустрия светодиодных ламп весьма активно развивается и к моменту получения отчета о надежности, самих ламп может уже не оказаться в продаже.
Дополнительная трудность заключается еще и в том, что деградация свойств светодиодных ламп выражается в простом снижении яркости, в отличие от компактных люминесцентных ламп, которым более свойственно сгорание накала или выход из строя электронного балласта. Поэтому вместо теста на надежность будет проводиться измерение температуры кристалла светодиода, ведь это одна из самых важных характеристик, прямо определяющих срок его службы. При повышении температуры выше пороговой резко повышается скорость деградации люминофора, что в наибольшей степени и вызывает снижение светового потока лампы.
В середине 2011 года правительством РФ были утверждены требования к осветительным устройствам и электрическим лампам, используемым в цепях переменного тока в целях освещения. Полный текст можно скачать по этой ссылке (Постановление 602). Текст короткий и к прочтению рекомендуется.
Процитирую некоторые моменты этого, без сомнения, полезного документа:
2. в) в отношении осветительных устройств для освещения объектов жилищно-коммунального хозяйства: ...
световая отдача (энергоэффективность) со светодиодами или светодиодными лампами – не менее 50 лм/Вт.
3. Установить следующие минимально допустимые значения световой отдачи (энергоэффективности) и продолжительности горения ламп: ...
з) в отношении светодиодных ламп ненаправленного света (ретрофиты), модулей светодиодных источников света в зависимости от значения цветовой температуры:
при значении цветовой температуры 2700 K, 3000 K – 50 лм/Вт;
при значении цветовой температуры 3500 K, 4000 K, 4500 K – 60 лм/Вт;
при значении цветовой температуры 5000 K, 5500 K, 6500 K – 70 лм/Вт;
продолжительность горения – не менее 25000 часов.
5. Установить следующие минимально допустимые значения коэффициента мощности:
а) в отношении светодиодных ламп ненаправленного света (ретрофитов), модулей светодиодных источников в составе осветительного прибора мощностью от 5 Вт до 25 Вт - не менее 0.7;
б) в отношении светодиодных ламп ненаправленного света (ретрофитов), модулей светодиодных источников в составе осветительного прибора мощностью более 25 Вт – не менее 0.85;
6. Установить, что спад светового потока составляет:
а) в отношении светодиодных ламп ненаправленного света (ретрофитов) в составе осветительного прибора при соблюдении условий эксплуатации, указанных в сопроводительной документации, – менее 30 процентов за 25000 часов;
7. Установить следующие минимально допустимые значения индекса цветопередачи:
а) в отношении светодиодных ламп ненаправленного света (ретрофитов), модулей светодиодных источников света в зависимости от области применения:
для наружного освещения – 60;
для внутреннего освещения – 70;
8. Установить значения коррелированной цветовой температуры в отношении светодиодных ламп ненаправленного света (ретрофитов), модулей светодиодных источников света и компактных люминесцентных ламп - 2700 K, 3000 K, 3500 K, 4000 K, 4500 K, 5000 K, 5700 K и 6500 K с допустимыми отклонениями согласно приложению № 2.
Извините, но здесь стоит сделать лирическое отступление. В документе приведено множество цифр, но нет ни одного упоминания об уровне пульсаций (мерцания и прочего). Составители документа не считают его важным, или это сделано умышлено, дабы наводнить рынок продукцией, наносящей вред здоровью?
При измерении характеристик ламп будут учтены требования постановления 602, коль скоро это действующие нормы и обязательны к применению. А именно:
Для выполнения этих расчетов будет измеряться спектр и интенсивность светового потока, мощность потребления и коэффициент мощности. При предоставлении диаграмм на цветовом пространстве CIE 1931 будет дополнительно нанесена сетка допуска по п8.
Выполнение работ обязывает к использованию некоторого набора оборудования для обеспечения необходимых уровней напряжения питания лампы, измерения мощности потребления и оценки «оптических» свойств лампы.
С точки зрения электроники вопрос снимается применением эмулятора сети Agilent 6812B, способного обеспечить необходимый уровень точности установки характеристик сети и измерения электрических характеристик. С «оптикой» несколько сложнее, для измерения светового потока требуется фотометрический шар значительного размера, что затрудняет приобретение готового устройства и вынуждает заняться изготовлением собственной кустарной оснастки.
Фотометрический шар
По счастью, технология работы «фотометрического шара» довольно проста и в ней крайне мало ограничений. Ничего не мешает выполнять его в форме куба или любой другой геометрической формы, важны лишь два условия:
Первое условие не является жестким, а вот второе уже обязательно к исполнению, иначе изделие потеряет способность интегрировать (усреднять) световой поток в своем объеме.
Дабы не нарушать инструкции, форма измерительного объема была выбрана классической, в виде шара. Из требований к прибору следует выделить несколько позиций, прямо влияющих на качество работы устройства. Далее я буду ссылаться и цитировать фрагменты ГОСТ Р 54350-2011:
Первый пункт обычно переводится так: диаметр шара должен быть в десять раз больше самого большого диаметра излучающего прибора. Если провести пересчет «диаметра» в «поверхность», как раз и получается ограничение в 2%. Площадь поверхности сферы вычисляется по известным формулам. Для шара 60 см площадь поверхности составит примерно 11300 см2, типичной светодиодной лампы (с внешним диаметром 60 мм и высотой 110 мм) составит 120 см2 (усеченный конус радиатора) плюс 113 см2/2 (колба светорассеивателя), что в сумме дает 233 см2.
Второй пункт является какой-то несуразностью и это стоит обсудить, но у данного документа есть замечательное свойство – он «допускает» много того, что прямо зачеркивает все жесткие ограничения, оговоренные ранее. Из третьего пункта следует, что светильник может находиться в любом месте фотометрического шара и даже вне его (при этом световой поток передается через небольшое окошко). Впрочем, существенным является лишь «необязательность» размещения светильника в центре шара. Приведу здесь пояснительную картинку из ГОСТ’а.
Конструкция фотометрического шара ГОСТ Р 54350-2011 для одиночной лампыНа рисунке выше изображены следующие элементы:
1. Фотометрический шар;
2. Измеряемый осветительный прибор (отсутствует на картинке);
3. Фотоприемник;
4. Экран;
5. Вспомогательная лампа;
6. Крышка зазора;
7. Измерительная лампа.
Если по тексту ГОСТ у меня есть какие-то сомнения, то к приведенному в том же документе графическому представлению конструкции фотометрического шара нет никаких замечаний, а потому именно такая конструкция и будет реализовываться, с небольшим упрощением.
«Вспомогательная лампа», отмеченная на рисунке, выполняет две функции – подтверждает (калибрует) фотоприемник при изменении свойств (старении) фотоприемника и светорассеивающего внутреннего покрытия фотометрического шара. Вторая ее функция заключается в компенсации световых потерь на поглощение в измерительной лампе.
Вот этот фактор важен и может явиться источником повышенной погрешности измерений. Дело в том, что интегрирующий фотометрический шар работает на основании выравнивания испускаемого света лампы по всему объему/поверхности шара. В какое место не светила бы лампа, насколько «направленной» она бы не оказалась, за счет многократных отражений от внутренней поверхности с низким коэффициентом поглощения, в шаре установится одинаковая светимость во всех точках (если форма прибора «шар»). Причем в его центре обязательно произойдет концентрация светового потока.
Нормы ГОСТ’а обязывают (но не очень строго) размещать лампу в центре шара, что неизбежно вызовет повышенные потери и цветовые искажения светового потока из-за «не идеально белого» корпуса лампы. Если с изменением «цвета» фотометрический шар ничего поделать не может, то общее снижение показаний компенсируется за счет калибровки с помощью вспомогательной лампы. Иначе говоря, если выдерживать требование на размещение лампы в геометрическом центре шара, то придется или делать калибровку под каждый тип (конструкцию, цвет) лампы, или сам фотометрический шар делать очень большим. Первое «возможно», хотя не доставляет радости, второе «увы», он и так слишком велик.
Второй момент, который стоит исследовать – влияние экрана, защищающего фотодатчик от прямой засветки лампы. По данному вопросу ГОСТ’а указывается необходимость обеспечения минимальной площади «затемнения», но индивидуальная настройка под каждую лампу крайне обременительна. Место размещения экрана, по ГОСТ’у, должно находиться близко к лампе (посмотрите на предыдущий рисунок), но это весьма спорный момент. В связи с тем, что я внес измерительный датчик внутрь шара, что привело к увеличению его угла зрения, некоторое снижение видимости из-за близко расположенного экрана можно «простить». К тому же, дополнительная помеха находится на периферии, что дополнительно снижает потери.
Итак, после изготовления оболочки и покраски шар выглядит следующим образом.
Фотометрический шарВнутреннее устройство получило более классическое исполнение.
Фотометрический шар, вид изнутри на верхнюю половинуИсследуемая лампа устанавливается в жестко закрепленный патрон. Центр свечения лампы находится примерно на расстоянии трети диаметра шара от его центра. Нижняя половина шара лишена каких-либо элементов внутри себя, а потому ее внутреннее устройство не заслуживает внимания. Внутренний диаметр шара 60 см, что позволяет измерять световой поток ламп с внешним диаметром до 60 мм. Приведу снимок фотодатчика.
Двойной измерительный датчик с фильтрами.Он состоит из двух кремниевых pin фотодиодов с рабочей площадью 10х15 мм, закрытых светофильтрами. Сам фильтр в процессе отладки многократно менялся и в версии, изображенной на рисунке, применен (очередной) фильтр от фотоаппарата. Для того чтобы черная каемка светофильтра не поглощала излучение, фильтр оклеен алюминиевой фольгой. Такое исполнение неизбежно вызовет блики, но они не попадают в поле зрения датчика, а потому не являются дефектом.
Кроме самого «шара», существует и другая проблема – светофильтры датчика. Для подобных измерений ГОСТ обязывает к применению кривую чувствительности глаза, которая выглядит следующим образом.
Кривая чувствительности глазаНа графике отмечены уровни компонентов «синий»/ «зеленый»/ «красный», принятые за эквивалентное соотношение их «видимости». А именно, если зеленый принять за «1», то красный воспринимается как «1/2», а синий «1/5». Именно такие коэффициенты используются в системах, работающих с черно-белым и цветным изображениями. Например, телевизионное вещание. Эта особенность «формализации» весьма ценна и позже будет использована.
Принцип преобразования через «кривую чувствительности» был сформулирован и принят к использованию довольно давно, в эпоху ламп с равномерным спектром свечения, но не все «традиционное» означает «абсолютная истина». Если применить кривую видимости к «синему» светодиоду (не «голубому»), то прибор ничего не покажет, ведь 410-440 нм находятся вне полосы пропускания взвешивающего фильтра. И не важно, что вы видите свет своими глазами, аппаратура будет сообщать «0». Устраивает? Я уважительно отношусь к серьезной документации, которыми являются ГОСТ’ы и другие нормативные документы, но в этом случае существует явное противоречие с логикой.
Применение кривой чувствительности приведет измерение к «сферическому коню». Но и отсутствие фильтра окончится не менее печально. Как же выйти из ситуации? Если внимательно посмотреть на стандартную кривую, то можно отметить, что в зеленой-красной областях особых замечаний нет, особенно с точки зрения измерения характеристик обычных бытовых светильников. Сложности начинаются в синем участке, но этот дефект можно обойти, прибегнув к формализации кривой чувствительности, приведенной ранее (и, повторюсь, реально широко используемой) – чувствительность к синему цвету в пять раз меньше, чем к зеленому. Этого определения вполне достаточно.
Как итог обсуждения, для работы измерительной системы фотометрического шара требуется два датчика с разными длинами волн. Один на зеленый-красный диапазон со стандартной характеристикой, второй – равномерный «синий» фильтр.
Первый фильтр.
Спектральная чувствительность датчика зеленой-красной составляющейДатчик выполнен на кремневом pin фотодиоде с типичной спектральной характеристикой, которая уже учтена при выводе диаграммы. Для сравнения, приведу официальную кривую чувствительности глаза в логарифмическом представлении.
Кривая чувствительности глаза в логарифмическом масштабеПо областям зеленых и красных цветов графики достаточно близки, а в области «синего» в моем фильтре следует резкий спад, и это хорошо – «синяя» компонента будет приниматься своим собственным датчиком.
Второй фильтр.
Спектр фильтра синего света для фотодатчикаФильтр слегка захватывает «зеленый», но это несущественно, весовой вклад этого датчика в несколько раз меньше основного (зеленый-красный) и на итоговом значении практически не скажется. К сожалению, фильтр пропускает ближний УФ, поэтому на фотодиод дополнительно установлено 2 мм силикатное стекло.
Для получения результирующего значения светового потока исследуемых ламп ток обоих датчиков складывается с соответствующими весовыми коэффициентами.
Измеритель интенсивности излучения
Методика тестирования ориентирована на светодиодные светильники белого цвета свечения. Их излучающее устройство, светодиод, состоит из двух элементов: светодиодного излучающего элемента (Light-Emitting Diode) и люминофора. Первый испускает излучение в «синей» части спектра, а люминофор – в красно-зеленой, что позволяет получить белый цвет свечения.
Для измерения свойств каждой части устройства требуется измеритель яркости на двух датчиках, работающих в синем-УФ и зеленом-красном диапазонах. С его помощью можно как оценивать изменение уровня излучения светодиодов при исследовании их характеристик, так и проводить построение диаграммы направленности излучения лампы.
Конструктивно, датчик выполнен в виде небольшой трубки с черной поверхностью, в которую установлено два датчика. На фотографии ниже представлен первый фотодиод ФД10В.
Советский светодиод ФД-10Это обычный кремниевый pin диод с оптической системой фокусировки и «традиционной» спектральной чувствительностью, свойственной всем кремниевым фотодиодам. Для коррекции ее полосы пропускания на корпус фотодиода нанесено селективное покрытие в области 500-650 нм.
Второй датчик достался мне без маркировки и технических данных. Спектральная чувствительность его неизвестна, кроме одного – рабочая полоса простирается от УФ до длины волны где-то 550 нм. Для приведения к требуемому виду на его поверхность нанесено селективное покрытие (примерно) 300-500 нм. Отсутствие возможности откалибровать датчик исключает получение абсолютных значений, но позволяет производить качественную оценку относительного изменения излучения при изменении условий работы. По возможности, он будет заменен или откалиброван.
Примененные фильтры. Синий.
Синий+УФ фильтр для фотодатчикаСпектрометр собран на основе фотоаппарата, который обрезает все, что не входит в видимый диапазон. Если судить по четкому отрезу и ровному, без скоса, уровню, то полоса пропускания фильтра явно распространяется и на ближний УФ диапазон.
Второй фильтр, для кремниевого фотодиода.
Зелено-красный фильтр для фотодатчикаНе особо ровно, в чем основная заслуга использованного фотоаппарата, но фильтр со своей задачей справляется, компоненты короче 480 нм вырезаются достаточно эффективно. Легкое нарушение баланса между красным и зеленым несущественно, поскольку фотодатчик используется для сравнительной оценки, а полная кривая взвешивания с учетом видимости реализована в фотометрическом шаре.
Проверка конструкции фотометрического шара
Сделаем небольшой тест, чтобы проверить, влияет ли место расположения лампы на величину показаний. Саму лампу перемещать затруднительно, тем более что стенд этого не позволяет, поэтому проверку можно выполнить несколько иначе – в фотометрический шар на свое обычное место устанавливается измеряемая лампа, плюс еще одна лампа в похожем исполнении в качестве «мешающего» элемента. Проверяются два случая: дополнительная лампа вверху и дополнительная лампа в геометрическом центре шара. Уровень светового потока изменился следующим образом:
Довольно любопытно. Судя по первому результату, фотометрический шар весьма неплохо «интегрирует», коль скоро помещение «помехи» в самую неосвещаемую точку шара сказывается на показаниях датчика. Второй результат еще интереснее – лампа небольшого размера (а в тесте участвовали светодиодные лампочки с внешним диаметром 60 мм) не особо сильно поглощает свет, а значит в шаре диаметром 60 см можно обойтись без дополнительной калибровки при переходе от одной лампы к другой.
Сама цифра «6%» весьма ощутима и перед началом работы с фотометрическим шаром калибровка обязательна. В первой версии стенда вспомогательная лампа отсутствует и настройка выполняется установкой известной лампы в штатный патрон, впоследствии она будет добавлена. Остается только вопрос, а как измеряют аналогичные лампочки в шарах меньшего диаметра, да еще и без вспомогательной лампы? Так или иначе, требование ГОСТ’а в 2% весьма осмысленно и действительно сказывается на качестве измерений.
Для проведения работ требуется не только измерять уровни интенсивности излучения, но и производить анализ спектра. Например, фотоаппаратом можно сделать снимок включенной лампы и получить невразумительную картинку ее цветовой характеристики. Можно, но смысла очень мало, нужен спектрометр. Готовое устройство стоит весьма чувствительных денег, но вполне можно сделать что-то подходящее и в кустарных условиях. По счастью, самой труднодоставаемой деталью является дифракционная решетка, что не является серьезной проблемой и здорово упрощает жизнь.
Для проведения работ используется щелевой дифракционный спектрометр по самой тривиальной технологии:
Все просто – свет проходит через узкую щель, попадает на дифракционную решетку и разлагается в спектр. Обычно подобную конструкцию изготавливают из элементов сантехники и на сборку уходит всего пара часов. Но, увы, ничего осмысленного с данного аппарата получить не выйдет – фотоаппарат не предназначен для снятия спектра. По крайней мере, та «мыльница», что была использована в моем аппарате. Проблема даже не столько в насыщении пиков уровня, основной вред заключается в нелинейности фильтров R-G-B матрицы фотоаппарата.
В качестве образца света взята галогенная лампа накаливания. По теории, интенсивность цвета должна снижаться по мере перемещения в высокочастотную часть спектра (синий цвет), здесь же творится черт-те что, особенно на стыке зеленого и красного. Вполне очевидно, что «измерения» на таком оборудовании откровенно несостоятельны.
Однако существует механизм калибровки, который может повысить точность – спектр образцового источника света (лампы накаливания) монотонно снижается от красных к синим цветам, причем эта зависимость известна и зависит, по большому счету, только от температуры нити накала. Это означает, что хотя данный фотоаппарат совершенно и подходит по качеству работы, но его можно использовать с калибровочным профилем.
Для выполнения данной процедуры пришлось написать свою простенькую программу, попутно обнаружились нелинейности не только по разделительным фильтрам, но и по амплитуде – для данного фотоаппарата гамма не постоянна и уменьшается по мере снижения уровня. Конечно, я пробовал найти более подходящий вариант фотоаппарата, но среди «мыльниц» плохо то одно, то другое. Где-то игнорируется фиксированный режим цветового баланса, где-то чудовищно обрезается уровень (насыщение). Увы, «дешево и хорошо» – это сказка.
Кроме калибровочной таблицы, программа выполняет и, собственно, анализ спектра – строит диаграмму цветового пространства CIE 1931, что позволяет получить цветовую температуру источника света.
К обычному графику температуры черного тела и «рискам» температур добавлена сетка зон на соответствие инструкции №602.
Ранее были рассмотрены некоторые способы определения качества работы лампы, остается лишь перевести эти «пожелания» в конкретные методики измерения. И начнем с общих характеристик лампы.
Световой поток
Лампа помещается в фотометрический шар на время, достаточное для установления тепловых и световых режимов. Для светодиодных ламп формата «лампа накаливания 100 Вт» время установления стационарных тепловых режимов составляет 35-45 минут, измерение статических (долговременных) характеристик свечения будет осуществляться через 60 минут.
Попутно, кроме измерения уровня светового потока, будет выполняться измерение температуры корпуса лампы (радиатора) в месте, максимально приближенном к блоку светодиодов. При этом второй термодатчик используется для фиксирования температуры окружающего воздуха на уровне лампы. Во время измерений устанавливается номинальное значение напряжения питания 220 В с частотой 50 Гц.
Практически все производители нормируют характеристики своих светильников при напряжении питания 230 вольт, но оборудование обязано соответствовать нормативным документам того региона, где оно будет реализовано, поэтому тестирование и измерение характеристик будет осуществляться именно при напряжении питания 220 В переменного тока частотой 50 Гц.
Цветовая температура
Для получения Тц используется самодельный щелевой дифракционный спектрометр с последующей программной обработкой. В устройстве применен обычный фотоаппарат, что затрудняет получение абсолютных значений амплитуд спектра, поэтому на графиках отображаются относительные значения, выровненные по максимальному значению полученных данных.
Диаграмма направленности
Получение данной диаграммы довольно просто в исполнении и не содержит сложных элементов – комбинация из гониометра и измерителя излучения, описанного выше, позволяет снимать диаграмму направленности лампы, после чего остается лишь измерить углы свечения по снижению интенсивности до 50% и 10%, при этом за «100%» принимается максимальная величина излучения. В результате получится «угол пучка» (Beam angle) по порогу «50%» и «угол рассеивания прожектора» с критерием «10%».
Изменение светового потока после удаления колбы
Эта характеристика не является классификационной и служит скорее для простейшей оценки степени поглощения рассеивающей колбы, если таковая есть. Измерение производится в фотометрическом шаре после проведения замеров светового потока.
Мощность потребления
Данный параметр измеряется в момент получения величины светового потока по окончании долговременной выдержки в фотометрическом шаре. Мощность потребления измеряется на номинальном напряжении питания 220 В частотой 50 Гц, информация считывается с эмулятора сети.
Коэффициент мощности
Эта характеристика измеряется одновременно с мощностью потребления в тех же условиях. Как и мощность потребления, информацию представляет эмулятор сети.
Уровень пульсации светового потока
Оценка пульсаций производится во время измерений светового потока и заключается в получении осциллограммы формы напряжения светового потока фотодатчиков фотометрического шара с последующим расчетом значения по формуле 100%*(Макс-Мин)/(Макс+Мин). Если во время проведения измерений обнаруживаются какие-либо аномалии, то выбирается график с наибольшим уровнем девиации сигнала.
Широкий диапазон напряжения питания лампы
Тест выполняется на прогретой лампе и заключается в измерении ее светового потока и мощности потребления при изменении напряжения питания от 250 до 90 вольт переменного напряжения частотой 50 Гц. Нижняя граница в 90 В является ориентировочным значением, тест прекращается, если в работе лампы обнаруживается очевидное ухудшение качества работы.
Время включения и выключения
После выполнения предыдущего теста лампа выдерживается некоторое время при напряжении питания 220 В для восстановления теплового режима, после чего кратковременно выключается (несколько секунд), включается (примерно 2 секунды) и выключается. При этом на осциллографе одновременно записывается наличие напряжения питания и величина светового потока с датчика фотометрического шара.
Поддержка светорегулятора
Данный тест проводится только для светодиодных ламп с поддержкой подобного режима работы. Лампа получает питание через светорегулятор от эмулятора сети, на котором настраиваются нормальные установки сети (220 В, 50 Гц). В качестве светорегулятора используется простейший регулятор с ручкой, производитель и марка устройства неизвестны. В связи с «типичностью» тиристорных светорегуляторов нет необходимости проводить исследование на устройствах разных фирм.
Процедура тестирования заключается в оценке качества регулирования светового потока (фотометрический шар) и выявлении каких-либо дефектов в работе, в том числе в уровне пульсаций. Если какие-либо аномалии отсутствуют, то финальной характеристикой является таблица уровня светового потока при значении ручки регулятора в положениях: 0%, 25%, 50%, 75%, 100%. При обнаружении проблем таблица дополняется новыми позициями.
Температура кристалла
Температура кристалла является одной из основных характеристик светодиода, прямо влияющей на срок службы. По данным журнала «Полупроводниковая светотехника» при превышении пороговой температуры кристалла на 25-30 градусов время работы светодиода снижается в шесть раз. К сожалению, на «неизвестные» светодиоды не определена величина критической температуры, получаемые измерения носят лишь ориентировочный характер.
Температура кристалла получается сложением разности температур перехода «кристалл-плата» и температуры самой платы светодиодов. Для получения последнего используется температура радиатора лампы, полученная в долговременном режиме работы лампы при измерении светового потока, с добавлением тепловых потерь от платы светодиодов до того места радиатора, где снималась его температура.
Прямое измерение температуры платы затруднено наличием светорассеивающей колбы, поэтому процесс получения разбивается на две части – вначале получается температура радиатора после долговременной работы лампы в штатном режиме в фотометрическом шаре, потом с лампы снимается колба и выполняется измерение потерь на пути «плата-радиатор». Помимо этого прямое измерение температуры платы лишено смысла – без колбы меняется активная поверхность теплоотвода, что сильно исказит получаемые данные.
Тепловой и стресс-тест светодиода
Блоки светодиодов в конкретных лампах работают при некоторых фиксированных значениях тока, но не совсем ясна мера оптимальности выбранной величины. Если в фирменной продукции, скорее всего, рабочие режимы подобраны верно, то от менее ответственных производителей можно ожидать всякого. Сам светодиод будет светить ярко и при нормальном токе, и при «разогнанном», вот только срок службы будет очень даже разным.
Для получения информации о качестве работы светодиодов производятся замеры как эффективности свечения платы светодиодов при изменении тока через них в интервале от 10% до 150%, так и температуры нагрева платы до +50 градусов (к температуре окружающего воздуха, то есть абсолютное значение составляет 75 градусов). При стресс-тесте по изменению рабочего тока плата светодиодов устанавливается на радиатор достаточно большого размера, что исключает ее дополнительный нагрев. Для теста на тепловой нагрев плата перемещается на радиатор существенно меньшей величины, что обеспечивает медленное повышение температуры платы за счет выделения тепла на светодиодах.
Если требуемая температура не достигается, что часто случается при низком значении тока светодиодов, то производится дополнительный подогрев радиатора (с противоположной стороны от светодиодов) горячим воздухом с помощью паяльной станции. Этот тест позволяет оценить стабильность работы светодиода как от величины тока, так и от значения температуры внутри лампы. Кроме общей оценки этот тест является дополнением к измерению температуры кристалла и может подтвердить (или опровергнуть) предположения о температуре кристалла и меры деградации свойств по отношению к критической температуре (значение которой, в большинстве случаев, окажется неизвестно).
Графики строятся в несколько необычном варианте исполнения, использована не зависимость яркости от тока (и температуры), а мера сохранения приращения яркости при этих воздействиях. Например, при изменении тока через светодиод с 100 мА до 200 мА яркость возросла до 190% (за 100% принимается уровень свечения при токе 100 мА). Если представить график в обычном виде (зависимость яркости от тока), то полученная (почти) прямая линия окажется малоинформативной, особенно при небольших нарушениях линейности. Если же значения продифференцировать, то на графике окажется два отсчета: 100% и 90%, что хорошо заметно и сразу несет качественную информацию о том, что эффективность светодиода уменьшилась.
Плотность тока через кристалл светодиода
Через светодиод протекает ток известной величины, геометрические размеры его кристалла можно оценить по характеру свечения. Из этой информации вполне возможно вычислить плотность тока через кристалл. Эта характеристика несколько повторяет «температуру кристалла», полученную ранее, и тоже позволяет оценить степень надежности работы светодиода.
Фактически, оба параметра сильно взаимосвязаны – возрастание тока приводит к повышению перепада температур «кристалл-плата» и при превышении порогового значения тока наступает критический перегрев кристалла. Но оба критических параметра неизвестны, и для получения оценки надежности работы светодиода (срока службы) требуются разнообразные тесты, причем их результаты не будут являться окончательными и представляют скорее интерес при сравнении с другими лампами схожего типа.
Эффективность излучения
Светодиод излучает в широком диапазоне спектра, но за световой поток принимается лишь его видимая часть, причем совместно со специальным взвешивающим фильтром видимости глаза. Для оценки излучения по всему спектру предлагается проводить измерение полной мощности излучения светодиода как разность между подведенной и рассеянной тепловыми мощностями. Для этого на небольшом радиаторе размещается исследуемая плата светодиодов и нагревательный элемент. Размер и тепловое сопротивление радиатора выбирается из рабочей мощности светодиодов таким образом, чтобы плата прогревалась на типичную величину, свойственную их работе в составе лампы (+35…45 градусов).
Тест состоит из двух фаз:
В первой фазе нагрев радиатора осуществлялся за счет тепла от светодиодов, во второй – от нагревательного элемента. Причем переход от первой ко второй фазе выполняется без каких-либо манипуляций с самой измерительной системой, что обеспечивает неизменность коэффициента теплового рассеивания. В результате излучаемая мощность светодиодов получается как разность между двумя фазами теста.
Электронный балласт
Светодиодная лампа состоит из двух основных частей – некоторого набора светодиодов и электронного балласта (инвертера) для обеспечения их питания стабильным током. Электронный балласт должен обеспечить именно постоянный ток с высоким коэффициентом полезного действия, но это выполняется далеко не в каждом устройстве, что порождает либо повышенный нагрев, либо дефекты свечения того или иного вида.
Типичным случаем является повышенный уровень пульсаций светового потока с удвоенной частотой сети (100 Гц). При необходимости будет осуществляться разборка блока электроники (полная или частичная) для выяснения схемной реализации и возможных причин появления недостатков свечения.
Кроме изучения особенностей схемного решения, будут выполняться обычные проверки на электробезопасность – измерение электрической изоляции на мегомметре при измерительном напряжении 1000 В (мегомметр Ф4102/1-1М) и оценка величины емкостной связи корпуса лампы с сетевой частью.
